נוזלי קירור על בסיס ננו-נוזלים תרמו-מוליכים
ננו-נוזלים מסונתזים באולטרסאונד הם נוזלי קירור יעילים ונוזלי מחליף חום. ננו-חומרים תרמו-מוליכים מגדילים את העברת החום ואת יכולת פיזור החום באופן משמעותי. סוניקציה מבוססת היטב בסינתזה ובפונקציונליות של ננו-חלקיקים תרמו-מוליכים, כמו גם בייצור ננו-נוזלים יציבים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי קירור.
השפעות ננופלואידיות על ביצועים תרמו-הידראוליים
המוליכות התרמית של חומר היא מדד ליכולתו להוליך חום. עבור נוזלי קירור ונוזל העברת חום (המכונה גם נוזל תרמי או שמן תרמי), מוליכות תרמית גבוהה רצויה. ננו-חומרים רבים מציעים תכונות תרמו-מוליכות נהדרות. על מנת להשתמש בתרומה התרמית המעולה של ננו-חומרים, מה שנקרא ננו-נוזלים משמשים כנוזלי קירור. ננו-נוזלים הוא נוזל, שבו חלקיקים בגודל ננומטרי מרחפים בנוזל הבסיס כמו מים, גליקול או שמן, שם הם יוצרים תמיסה קולואידית. ננו-נוזלים יכולים להגדיל באופן משמעותי את המוליכות התרמית בהשוואה לנוזלים ללא ננו-חלקיקים או חלקיקים גדולים יותר. חומר, גודל, צמיגות, מטען פני השטח ויציבות הנוזל של הננו-חלקיקים המפוזרים משפיעים באופן משמעותי על הביצועים התרמיים של ננו-נוזלים. ננו-נוזלים צוברים במהירות חשיבות ביישומי העברת חום מכיוון שהם מראים ביצועי העברת חום מעולים בהשוואה לנוזלי בסיס קונבנציונליים.
פיזור קולי הוא טכניקה יעילה ביותר, אמינה ומבוססת תעשייתית לייצור ננו-נוזלים עם יכולות העברת חום בעלות ביצועים גבוהים.
- משטח גבוה: יחס נפח לקצבי העברת אנרגיה ומסה גבוהים משמעותית
- מסה נמוכה ליציבות קולואידית טובה מאוד
- אינרציה נמוכה, הממזערת שחיקה
תכונות אלה הקשורות לגודל ננומטרי מעניקות לננו-נוזלים את המוליכות התרמית יוצאת הדופן שלהם. פיזור על-קולי הוא הטכניקה היעילה ביותר לייצור ננו-חלקיקים וננו-נוזלים פונקציונליים.
ננו-נוזלים המיוצרים באולטרסאונד עם תרומה תרמית מעולה
ננו-חומרים רבים – כגון CNTs, סיליקה, גרפן, אלומיניום, כסף, בורון ניטריד, ועוד רבים אחרים – כבר הוכח כמגביר את התרומה התרמית של נוזלי העברת חום. להלן, תוכל למצוא תוצאות מחקר לדוגמה עבור ננו-נוזלים מוליכים תרמיים שהוכנו תחת אולטרה-סוניקציה.
ייצור ננו-נוזלים מבוסס אלומיוניום עם אולטרסאונד
Buonomo et al. (2015) הדגימו את המוליכות התרמית המשופרת של ננו-נוזלים Al2O3, שהוכנו תחת אולטרה-סוניקציה.
על מנת לפזר חלקיקי Al2O3 באופן אחיד לתוך המים, החוקרים השתמשו באולטרסוניקטור מסוג Hielscher UP400S. חלקיקי אלומיניום מפוזרים ומפוזרים באולטרסאונד הניבו גודל חלקיקים של כ-120 ננומטר עבור כל הננו-נוזלים – ללא תלות בריכוז החלקיקים. המוליכות התרמית של ננו-נוזלים גדלה בטמפרטורות גבוהות יותר בהשוואה למים טהורים. עם ריכוז חלקיקים Al2O3 של 0.5% בטמפרטורת החדר של 25°C העלייה במוליכות התרמית היא רק כ-0.57%, אך ב-65°C ערך זה עולה לכ-8%. עבור ריכוז נפח של 4%, השיפור עובר מ-7.6% ל-14.4%, כאשר הטמפרטורה עולה מ-25°C ל-65°C.
[ראה: Buonomo et al., 2015]
התפלגות גודל חלקיקים של ננו-נוזלים מבוססי מים של בורון ניטריד עם ריכוזי בורון ניטריד שונים לאחר אולטרסוניקציה עם UP400S (a) 0.1% hBN, (b) 0.5% hBN, (c) 2% hBN
(מחקר וגרפים: © Ilhan et al., 2016)
ייצור ננו-נוזלים מבוססי בורון ניטריד באמצעות סוניקציה
Ilhan et al. (2016) חקרו את המוליכות התרמית של ננו-נוזלים מבוססי בורון ניטריד משושה (hBN). למטרה זו סדרה של ננו-נוזלים מפוזרים היטב ויציבים, המכילים ננו-חלקיקי hBN בקוטר ממוצע של 70 ננומטר, מיוצרים בשיטה דו-שלבית הכוללת אולטרסוניקציה וחומרים פעילי שטח כגון נתרן דודציל סולפט (SDS) ופוליוויניל פירולידון (PVP). ננו-נוזל המים hBN המפוזר באולטרסאונד מראה עלייה משמעותית במוליכות התרמית אפילו עבור ריכוזי חלקיקים מדוללים מאוד. סוניקציה עם אולטרסוניקטור מסוג בדיקה UP400S הפחיתה את גודל החלקיקים הממוצע של אגרגטים עד לטווח של 40-60 ננומטר. החוקרים מסיקים כי אגרגטים גדולים וצפופים של בורון ניטריד, שנצפו במצב יבש לא מטופל, נשברים בתהליך אולטרה-סוניקציה ותוספת פעילי שטח. זה הופך את הפיזור העל-קולי לשיטה יעילה להכנת ננו-נוזלים מבוססי מים עם ריכוזי חלקיקים שונים.
[ראה: אילהאן ואח', 2016]
תמונת STEM המציגה מורפולוגיה של ננו-נוזל hBN מבוסס אתילן גליקול (EG) מפוזר באולטרסאונד עם ריכוז נפח חלקיקים של 0.5%.
(מחקר וגרפים: © Ilhan et al., 2016)
“אולטרה-סוניקציה היא התהליך הנפוץ ביותר בספרות להגברת היציבות של ננו-נוזלים.” [אילהאן ואחרים, 2016] וגם בייצור תעשייתי, סוניקציה היא כיום הטכניקה היעילה, האמינה והחסכונית ביותר להשגת ננו-נוזלים יציבים לטווח ארוך של ביצועים יוצאי דופן.
אולטרסאונד תעשייתי לייצור נוזל קירור
מוכח מדעית, מבוסס תעשייתית – Hielscher Ultrasonicators לייצור nanofluid
מפיצי גזירה גבוהים קוליים הם מכונות אמינות לייצור מתמשך של נוזלי קירור בעלי ביצועים גבוהים ונוזלי העברת חום. ערבוב מונע אולטרסאונד ידוע ביעילותו ובאמינותו – גם כאשר תנאי ערבוב תובעניים חלים.
ציוד Hielscher Ultrasonics מאפשר להכין לא רעיל, לא מסוכן, חלקם אפילו מזון כיתה nanofluids. יחד עם זאת, כל האולטרסאונד שלנו יעיל מאוד, אמין, בטוח לתפעול וחזק מאוד. בנויים לפעולה 24/7, אפילו האולטרסאונד בגודל בינוני והספסל שלנו מסוגלים להפיק נפחים יוצאי דופן.
קראו עוד על ייצור אולטראסוני של ננו-נוזלים או צרו איתנו קשר כבר עכשיו כדי לקבל ייעוץ מעמיק והצעה חינם למפזר אולטראסוני!
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| 15 עד 150 ליטר | 3 עד 15 ליטר/דקה | UIP6000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר! / שאל אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
ספרות / מקורות
- B. Buonomo, O. Manca, L. Marinelli, S. Nardini (2015): Effect of temperature and sonication time on nanofluid thermal conductivity measurements by nano-flash method. Applied Thermal Engineering 2015.
- Beybin İlhan, Melike Kurt, Hakan Ertürk (2016): Experimental investigation of heat transfer enhancement and viscosity change of hBN nanofluids. Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 77, 2016. 272-283.
- Oldenburg, S., Siekkinen, A., Darlington, T., Baldwin, R. (2007): Optimized Nanofluid Coolants for Spacecraft Thermal Control Systems. SAE Technical Paper, 2007.
- Mehdi Keyvani, Masoud Afrand, Davood Toghraie, Mahdi Reiszadeh (2018): An experimental study on the thermal conductivity of cerium oxide/ethylene glycol nanofluid: developing a new correlation. Journal of Molecular Liquids, Volume 266, 2018, 211-217.
עובדות שכדאי לדעת
מדוע ננו-נוזלים טובים ליישומי קירור והעברת חום?
סוג חדש של נוזלי קירור הם ננו-נוזלים המורכבים מנוזל בסיס (למשל, מים), המשמש כנוזל נשא עבור חלקיקים בגודל ננומטרי. ננו-חלקיקים ייעודיים (למשל CuO בגודל ננומטרי, אלומינה טיטניום דו-חמצני, ננו-צינוריות פחמן, סיליקה או מתכות כגון נחושת, ננו-מוטות כסף) המפוזרים לתוך נוזל הבסיס יכולים לשפר את יכולת העברת החום של הננו-נוזל המתקבל באופן משמעותי. זה הופך ננו-נוזלים לנוזלי קירור יוצאי דופן בעלי ביצועים גבוהים.
שימוש בננו-נוזלים המיוצרים במיוחד המכילים ננו-חלקיקים תרמו-מוליכים מאפשרים שיפורים משמעותיים בהעברת חום ובפיזורו; לדוגמה, ננו-מוטות כסף בקוטר 55±12 ננומטר ובאורך ממוצע של 12.8 מיקרומטר ב-0.5 כרך.% הגדילו את המוליכות התרמית של מים ב-68%, ו-0.5% כרך של ננו-מוטות כסף הגדילו את המוליכות התרמית של נוזל קירור מבוסס אתילן גליקול ב-98%. ננו-חלקיקי אלומינה בשיעור של 0.1% יכולים להגדיל את שטף החום הקריטי של מים בשיעור של עד 70%; החלקיקים יוצרים משטח נקבובי מחוספס על העצם המקורר, מה שמעודד היווצרות בועות חדשות, וטבעם ההידרופילי מסייע לדחוף אותם משם, מה שמעכב את היווצרות שכבת הקיטור. ננו-נוזל עם ריכוז של יותר מ -5% מתנהג כמו נוזלים שאינם ניוטוניים. (ראה: Oldenburg et al., 2007)
תוספת של חלקיקי מתכת לנוזלי קירור המשמשים במערכות בקרה תרמית יכולה להגדיל באופן דרמטי את המוליכות התרמית של נוזל הבסיס. חומרים מרוכבים כאלה של ננו-חלקיקים-נוזלים מתכתיים מכונים ננו-נוזלים ולשימוש בהם כנוזלי קירור יש פוטנציאל להפחית את דרישות המשקל וההספק של מערכות בקרה תרמית של חלליות. המוליכות התרמית של ננו-נוזלים תלויה בריכוז, גודל, צורה, כימיה של פני השטח ומצב הצבירה של הננו-חלקיקים המרכיבים אותם. נבדקו ההשפעות של ריכוז העמסת ננו-חלקיקים ויחס גובה-רוחב של ננו-חלקיקים על המוליכות התרמית והצמיגות של מים ונוזלי קירור מבוססי אתילן גליקול. ננו-מוטות כסף בקוטר של 55 ± 12 ננומטר ובאורך ממוצע של 12.8 ± 8.5 מיקרומטר בריכוז של 0.5% לפי נפח הגדילו את המוליכות התרמית של המים ב-68%. המוליכות התרמית של נוזל קירור על בסיס אתילן גליקול הוגדלה ב-98% עם ריכוז העמסת ננו-מוטות כסף של 0.5% בנפח. לננו-מוטות ארוכים יותר הייתה השפעה גדולה יותר על המוליכות התרמית מאשר ננו-מוטות קצרים יותר באותה צפיפות העמסה. עם זאת, ננו-מוטות ארוכים יותר גם הגדילו את צמיגות נוזל הבסיס במידה רבה יותר מאשר ננו-מוטות קצרים יותר.
(אולדנבורג ואחרים, 2007)
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.